好萊塢著名導演克里斯托弗·諾蘭(Christopher Nolan)執(zhí)導的科幻電影《星際穿越》，在全世界上映后迅速成為一部“現(xiàn)象級”電影，引發(fā)了人們探討科幻電影，乃至理論物理學的熱潮。這并不奇怪，因為這可能算得上是世界上第一部基本忠實地展現(xiàn)宇宙中各種奇妙的天體現(xiàn)象的電影。讓我們走進天體的神秘空間，一邊科學，一邊幻想：

　　引力波觀測

　　根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論的描述，引力波是一種時空的褶皺，它自身具有能量，通過時空傳播。在理論上一些激烈的宇宙學現(xiàn)象，比如黑洞相撞、一個巨大的天體被黑洞吞噬等等，都會釋放出劇烈的引力波，并且有可能傳播到地球上。LIGO設置在美國華盛頓州和路易斯安那州的兩個天文臺，正是為了探測這種時空的褶皺，而在法國、荷蘭、意大利等國也都有類似裝置，日本也正在建造引力波探測裝置，人類正在形成一個引力波探測網(wǎng)絡，故事也就由此而起。

　　盡管人類目前在地球上還沒有探測到任何引力波存在的痕跡(2014年初，一組科學家宣布他們在南極探測到的宇宙微波背景輻射過程中發(fā)現(xiàn)了其中原初引力波的痕跡，證實了宇宙暴漲理論，這引起了全世界的關注，但是這個發(fā)現(xiàn)隨后被認為是受到了噪聲的干擾，并不能成立)，但是在宇宙學觀測中，宇宙學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了證明引力波存在的有力證據(jù)。索恩相信，在未來10年內人們就有可能在地球上探測到引力波，人類在并不遙遠的未來就可以利用引力波來精確探測宇宙中的天體，這也正是電影故事發(fā)生的基礎。唯有如此，布蘭德教授才能在2019年發(fā)現(xiàn)太陽系內蹊蹺地出現(xiàn)了一個蟲洞。

　　年輕的布蘭德在2019年通過LIGO觀測到了一場只持續(xù)了幾秒鐘的引力波大爆發(fā)，他開始調查發(fā)生引力波大爆發(fā)的位置。結果他驚奇地發(fā)現(xiàn)，這場激烈的爆發(fā)竟然是發(fā)生在太陽系的內部，土星附近。這顯然讓他無法理解--這個程度的引力波大爆發(fā)只會發(fā)生在巨大且致密的天體之間，但是如果在太陽系內部真的出現(xiàn)了這種天體，比如說一個巨大的黑洞，那么整個太陽系內所有行星的軌道就會被黑洞巨大的引力所打亂，土星，以及太陽系所有的行星，甚至包括太陽在內的整個太陽系，也應該早就被摧毀，為什么布蘭德還能夠安全觀測到這場引力波大爆發(fā)，卻沒有觀測到太陽系內有任何的異?，F(xiàn)象？最終布蘭德發(fā)現(xiàn)，這個悖論只存在一個解釋，就是在土星附近出現(xiàn)的是一個穩(wěn)定的蟲洞，這個蟲洞連接了宇宙中遙遠空間的兩端，它的兩個開口一個在太陽系內的土星附近，另外一端則在一個超大型黑洞附近，也就是電影中描述的卡岡圖雅(Gargantua)黑洞，他所觀測到的引力波爆發(fā)，實際上是來自蟲洞另外一端的黑洞正在吞噬一顆中子星，這并未影響到太陽系的安全，但在這個過程中發(fā)出的引力波則有一部分通過蟲洞傳播到太陽系，進而被布蘭德發(fā)現(xiàn)。

　　蟲洞

　　蟲洞已經(jīng)成為一切星際穿越題材的電影中最必不可少的裝置，這不僅是因為在理論上蟲洞自身奇異的特性，也是由浩瀚的宇宙自身所決定的。人類目前的活動范圍仍然被限制在太陽系以內，一方面是受到自身科學技術水平的限制，另外也要受到狹義相對論的限制。愛因斯坦的狹義相對論規(guī)定，光速是宇宙中最快的速度(大約為每秒鐘30萬公里)，人類駕駛宇宙飛船，無論使用何種動力手段(包括核動力)，都很難接近光速。太陽只是銀河系中的一顆中等恒星，而人類所居住的太陽系本身是太陽的1000倍，光穿過整個太陽系都需要11個小時，而即使是以光速到達距離太陽最近的恒星，比鄰星(Proxima Centauri)也需要4.22年，以人類目前的科技水平，甚至是在可預見的未來，都絕無可能到達(在電影中，庫珀利用火箭從地球出發(fā)，到達土星都花費了兩年時間)。太陽和比鄰星，不過是銀河系中的滄海一粟而已，銀河系也只是浩瀚宇宙中的滄海一粟。那么人類想要進行星際旅行，唯一的可能就是借助蟲洞進行穿越。

　　蟲洞僅能夠存在于理論中，原因就在于索恩證明，它即使存在，也會極不穩(wěn)定，這種奇異的天體誕生-膨脹-收縮-死亡的速度極快，更有可能是在微觀尺度下的量子泡沫中隨機的產(chǎn)生和消失，遠小于原子尺度，因此完全不可能讓人類進行宇宙間的穿越旅行。而且，要形成一個在理論上穩(wěn)定的蟲洞，需要大量有負能量的“奇異物質”，這在理論上也無法做到。

　　即使是在理論上可以實現(xiàn)，在宇宙中也很難“自然”形成一個穩(wěn)定的蟲洞，原因就在于人類目前觀測不到任何有可能形成蟲洞的天體?！缎请H穿越》中出現(xiàn)的其他天體，比如恒星、行星、黑洞、中子星等，人們都早已通過天文學觀測得到了證實，但是人類在宇宙中找不到任何天體存在著任何可能演變?yōu)橄x洞，而宇宙大爆炸過程中“自然”產(chǎn)生出蟲洞的機會也是微乎其微。

　　盡管如此，要實現(xiàn)星際穿越、探索宇宙中各種奇異的天體、挽救地球，一個可以穿越折疊空間的蟲洞仍然必不可少，否則人類連沖出太陽系都不大可能。索恩假設可以出現(xiàn)穩(wěn)定的蟲洞供人類進行宇宙穿越，同時這個巨大的蟲洞就被放置在太陽系內，這如同在一個失火的房子窗口恰好出現(xiàn)了一個安全梯，如此體貼，不可能是一個巧合。那么，在電影中解釋，只可能是一種更為高級的生命把蟲洞放在那里，專門為了解救人類。索恩通過計算，設置了土星附近蟲洞的大?。褐睆酱蠹s是1公里，長度則只有幾十米，飛船穿越，應該是一晃而過。但是諾蘭為了電影效果，還是將拍攝成蟲洞漫長且內部充滿了奇異的閃光，猶如是駕車駛過一個黑暗的隧道，這其實也是很多人對于穿越蟲洞場景的想象。

　　黑洞

　　黑洞才是《星際穿越》整部電影中真正的主角，那個巨大的卡岡圖雅黑洞是這部電影的主心骨。不僅是導演，索恩為了設計這個巨大的黑洞也是傾盡心血，使它注定會成為電影史上一個令人難以忘記的鮮明角色。正因為卡岡圖雅黑洞的外觀和行為在極大程度上符合當今的物理學理論，也正是由于黑洞的種種特性推動了情節(jié)發(fā)展，才使它如此鮮明，令人難忘。

　　黑洞同樣也是廣義相對論的產(chǎn)物。廣義相對論描述了物質與時空之間相互作用的關系，真正開啟了人類的宇宙學探索。索恩的導師惠勒曾經(jīng)說，“時空告訴物質如何運動，物質告訴時空如何彎曲”。這句話就是對于廣義相對論極佳的概括。物質(或是能量)可以使時空扭曲，而當物質的密度極大時，時空的扭曲到達極限，就會形成黑洞。從這個角度說，黑洞就是由卷曲的時空組成。在黑洞的視界范圍內，任何物質，包括光線都無法逃脫，因此注定只能是一片黑暗，但在黑洞的視界周圍，因為環(huán)繞黑洞的吸積盤的存在，又有可能發(fā)出光亮。在黑洞的中心，存在著一個時空卷曲到極致的點，稱為“奇點”，在奇點處任何物理學定律都將失效。

　　黑洞聽起來可怖且危險，實際上它是廣義相對論自然而然的產(chǎn)物，盡管黑洞會吞沒一切信號，人類不可能得到關于黑洞的直接觀測證據(jù)，但已經(jīng)有各種各樣充分的間接證據(jù)證明，黑洞確實廣泛地存在。在大多數(shù)星系的中央，包括銀河系內，都坐落著一個巨型黑洞。銀河系中央的巨型黑洞Sagittarius A*的質量大約是太陽質量的410萬倍(也就是說它的引力是太陽的410萬倍)，維系著整個星系。不僅如此，在銀河系內還存在著大約1億個小黑洞，這些小黑洞大多都是由質量在3～30個太陽質量之間的恒星在燃燒盡自身燃料后發(fā)生內爆，隨后又發(fā)生塌縮形成的。這種黑洞的質量一般也是在3～30個太陽質量之間。而銀河系中還有大約1億顆恒星將在死亡之后發(fā)生內爆，進而塌縮成為黑洞。

　　因為恒星死亡而形成的黑洞，質量一般都不會太大，一般在100個太陽質量以內，而電影中索恩設置的超重黑洞卡岡圖雅，質量遠超銀河系中心的黑洞Sagittarius A*，達到1億個太陽質量，并且在進行著劇烈的自旋，這一切都是為了電影情節(jié)的發(fā)展而做出的合乎物理學理論的假設。這種超重黑洞不可能因為恒星死亡塌縮而形成，它們形成的原因人類目前還不清楚，有可能是由巨型的氣體聚合形成，也有可能是黑洞相互融合形成。如同卡岡圖雅這樣的巨大的黑洞，雖然在宇宙中罕見，但也并非是絕無僅有。目前人類發(fā)現(xiàn)的最重的黑洞名為NGC1277，它的質量相當于太陽質量的170億倍，距離地球2.7億光年遠，這個距離大約是目前可觀測宇宙的距離的1/10。好在起碼人類不用擔心自己葬身于黑洞中，太陽系中并沒有這樣沉默的巨獸，最近的黑洞也距離地球300光年，不會威脅到太陽系。

　　過于接近一個黑洞時，除了會被它吞沒，還有另一個特性就是時間的流逝會變慢，這是由黑洞強大的引力場扭曲了時間維度造成的奇妙現(xiàn)象之一。愛因斯坦的相對論使人類擺脫了牛頓力學中的絕對時間(宇宙中到處都放著一塊顯示統(tǒng)一時間的手表)和絕對空間(宇宙中放著一把刻度精準、永遠不變的尺子)的概念，“同時性”的概念變得極為精妙，時間的流逝成了相對性概念，其快慢與一個人所運行的速度和他身處的引力場強度有關。實際上，在地球上，因為地球的引力場作用，同樣會出現(xiàn)時間膨脹的效應，隨著海拔不同，時間流逝的速度也是不一樣的，GPS定位系統(tǒng)就必須通過廣義相對論對此進行修訂。只不過因為地球的引力場相比于黑洞太微弱，普通人完全感受不到這樣的差別。在黑洞附近，引力場極強的條件下，時間的流逝顯著減緩，這樣才能達到諾蘭導演所需要的在米勒行星上停留一小時，地球上已經(jīng)過了7年的“滄海桑田”的電影效果。

　　除了黑洞造成的時間膨脹的效應外，還必須要考慮其他更為現(xiàn)實的因素。在一個靜止的黑洞附近，如果想達到時間膨脹了6萬倍這樣顯著的效應，根據(jù)計算，米勒行星必須貼著黑洞的視界運轉。在這種危險的區(qū)域運行，且不說米勒行星很可能會被黑洞的吸積盤所摧毀，它還會感受到巨大的潮汐力。因為距離黑洞太近，所以行星的近遠兩端感受到的黑洞引力完全不同，這相當于對行星進行了巨大的拉扯。在一個巨型黑洞的視界附近，這種力量會輕而易舉摧毀一個行星，使行星表面的水分因為摩擦而變熱蒸發(fā)，行星自身也就成為灰塵。

　　巨大的潮汐力與強烈的時間膨脹現(xiàn)象形成了一對悖論，導演需要一個在黑洞附近能夠穩(wěn)定存在的行星，但又不會被潮汐力所摧毀。在這種情況下，索恩通過計算，發(fā)現(xiàn)只有讓這個相當于1億個太陽質量的黑洞進行快速自旋，利用引力鎖定米勒行星，才可能同時滿足這個條件，這其實也是索恩自己的研究成果。索恩發(fā)現(xiàn)，電影中所需要的卡岡圖雅黑洞自轉的速度，恰好在黑洞自轉的極限范圍之內，這樣，米勒行星在理論上就可以穩(wěn)定地存在，而且它表面上每一個小時一次的巨大水浪可能就是由有限的潮汐力，或是潮汐力造成的行星地震所引發(fā)的了。

　　引力彈弓

　　與在野外駕車出行一樣，進行太空旅行時人們最需要擔心的就是，飛船燃料不夠了該怎么辦。在電影中，庫珀等人駕駛飛船探尋卡岡圖雅黑洞附近的三個行星，旅行途中還發(fā)生了意外爆炸，他們必須隨時注意節(jié)省燃料。更何況米勒行星在黑洞附近的運行速度超過光速的一半，要想在米勒行星上著陸，飛船也必須要達到同等的速度才行?？紤]到飛船此前花了兩年時間才從地球到土星，利用自身的動力系統(tǒng)，無論如何也不可能達到這個速度。所幸在黑洞附近，他們非常熟練地運用了引力彈弓手段，首先利用一個圍繞著卡岡圖雅黑洞運行的小黑洞的引力進行加速(利用其引力加快自身的速度)，接近黑洞和米勒行星。之后再利用附近一顆中子星的引力場進行減速，進而與米勒行星實現(xiàn)同步，才實現(xiàn)著陸。

　　電影中通過引力彈弓手段達到接近光速的速度固然只可能出現(xiàn)在科幻電影中，但是實際上，人類的航天器利用天體引力進行加速或減速的引力彈弓手段并不罕見。美國航空航天局(NASA)在1997年發(fā)射的“卡西尼-惠更斯號”航天器為了節(jié)省燃料，就曾經(jīng)利用木星的引力進行加速，快到達目的地時，又利用距離土星最近的一個衛(wèi)星引力場進行減速，完成探測土星的任務。只不過是，在實際中利用行星或是衛(wèi)星的引力進行的加速或是減速的效果遠遠不如電影中利用黑洞或是中子星的引力改變自身速度的效果顯著了。

　　多出來的維度

　　在電影的高潮部分，諾蘭導演又一次運用了一個此前曾經(jīng)被使用過無數(shù)次的經(jīng)典電影橋段：主角庫珀駕駛著飛船中的著陸器縱身一躍，與飛船里的機器人TARS先后跳進了卡岡圖雅黑洞的視界以內，把女主角推回到了一個安全區(qū)域，而庫珀則踏上了死亡之路，注定無法再逃出黑洞。

　　量子力學和廣義相對論都誕生于20世紀初，經(jīng)過了100年的發(fā)展，這兩個學科已經(jīng)成為當代物理學的兩個支柱。量子力學主要是描述在極小的微觀領域內物質的運動規(guī)律，而廣義相對論則是描述在極大尺度，或是物質密度極高的條件下，物質和時空的相互作用規(guī)則。在20世紀中期，物理學家們就已經(jīng)意識到了，廣義相對論和量子力學彼此間不能相互協(xié)調。這兩種理論所主宰的領域并不相同，但是試圖把它們融合在一起，形成一個大統(tǒng)一理論的嘗試至今為止全都失敗了。當今物理學的“圣杯”，所有當代物理學家的最終追求，就是獲得一種融合了這兩種理論的“量子引力理論”。如何才能獲得這種理論？物理學家們認為，在這兩種理論同時起作用的領域內進行真正的觀測，獲得數(shù)據(jù)，就有可能得到啟發(fā)。

　　庫珀和TARS縱身一躍，終于獲得了這種物理學家們夢寐以求的機會，而TARS也抓住機會，迅速獲得了觀測數(shù)據(jù)，這是融合兩種理論、建立完整的量子引力理論的關鍵。而就當庫珀做好犧牲的準備時，他和TARS一起進入了一個“超立方體”，在這個高級生命為了拯救他們而特地放置在黑洞中的超立方體中，時間維度對庫珀打開了。

　　人們生活在三維空間中，而后相對論結合了時空，把時間變成了一個特殊的維度。人們在空間中可以自由游走，而時間維度的特殊之處在于，根據(jù)狹義相對論，盡管在不同情況下可能彼此前進的速度不同，人們在時間維度中都只能前進而無法后退，也就是說，人們無法“回到過去”。但是，空間除了前后、上下、左右三個維度外，還有沒有其他維度？此前物理學家們并不相信，認為更高的維度只能是數(shù)學游戲而已。在1984年，兩位物理學家邁克爾·格林(Michael Green)和約翰·施瓦茨(JohnSchwarz)在進行量子引力理論研究時發(fā)現(xiàn)，在更高的維度數(shù)中，量子力學和廣義相對論有可能相互融合，這個理論發(fā)現(xiàn)開啟了一個如今在理論物理學領域炙手可熱的研究領域--弦論。在弦論中，除了一個時間維度外，空間實際上存在有9個維度，人們只能感覺到其中的3個維度，而另外6個維度在卷曲起來中，使引力不至于發(fā)散得過快，以至于無法形成星系。從此以后，對于更高維度空間的研究不再是數(shù)學游戲，而是成為嚴肅的物理學探索。在電影中，出于視覺效果的考慮，導演并沒有展現(xiàn)出多余的6個維度，而只是展現(xiàn)了多出的一個維度，在這個維度中，時間維度也展開了，庫珀看到了自己和女兒的過去。原來，以前發(fā)給自己信息的人就是他自己。

　　庫珀收到了同在超立方體內的TARS傳來的量子引力數(shù)據(jù)，希望把它傳給自己的女兒。但是他發(fā)現(xiàn)，他在時間維度上，無法與過去的自己相互聯(lián)系，他只能單方向收到來自過去的信息，他的女兒卻聽不到自己的叫喊。但是他馬上意識到，引力可以穿過各個維度，進行時間旅行，正因為如此，他用力地反復敲擊他女兒房間的書架，產(chǎn)生的引力場使書架上的一些書掉落在地上，這正是他女兒長久以來追尋的“鬼”。也就是說，他可以通過引力作用與他的女兒進行聯(lián)系。他在收到機器人TARS傳來的數(shù)據(jù)后，掌握了如何利用重力與另一個世界聯(lián)系，進行時間旅行的方法。他敲擊表針，利用摩斯代碼與女兒聯(lián)系，終于把在黑洞里取得的量子引力信息傳送出去，解決了難題。

　　在另一個空間維度中，時間維度展開，得以進行時間旅行，這固然是導演出于劇情需要而進行的幻想，超出了目前物理學范疇，但在另一方面，也說明了很多物理學家相信，要解決量子引力問題，需要引入更多的維度。至于這個超立方體為什么會出現(xiàn)在黑洞的內部，恰好拯救了庫珀于絕境，如同在太陽系內忽然出現(xiàn)了一個蟲洞，只能說是更高等生命的有意為之了。

　　文章來源_生活三聯(lián)周刊 苗千 本文寫作主要參考了基普·索恩的《〈星際穿越〉中的科學》一書 采編_臨溪 圖_果殼網(wǎng)(科技圖)、時光網(wǎng)(海報圖)

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